66% mer energi? Denna nya turbin skulle kunna förvandla gamla kraftverk till rena(re) maskiner

Dess uppfinnare tror att systemet kan ha en enorm inverkan på ansträngningarna att minska koldioxidutsläppen i energisektorn.

  66% mer energi? Denna nya turbin skulle kunna förvandla gamla kraftverk till rena(re) maskiner
[Foto: Getty]

Ett team av amerikanska forskare har utvecklat ett system för att generera elektricitet som de säger är en 'game changer'. Det är en enhet som har potential att radikalt öka den elektriska effekten från alla termiska kraftverk, oavsett om det är fossilt bränsle, solvärme eller kärnkraft.



Och medan systemet fortfarande är i forskningsfasen, har teamet visat att det fungerar när det är kopplat till det verkliga nätet.

Designad av Logan Rapp och Darryn Fleming vid Sandia National Laboratories i Albuquerque, det nya systemet är implementeringen av en gammal idé från 60-talet, en alternativ turbin till de traditionella ångturbinerna som finns inuti värmekraftverk.



'Vi tror att det här systemet kan ha en enorm inverkan i våra ansträngningar att minska koldioxidutsläppen från energisektorn,' sa Rapp och Fleming till mig via e-post.



Teoretiskt sett skulle kraftverk som eftermonterats med denna nya turbin kunna producera 66 % mer energi. Givet att 80 % av kraftverk enbart i USA kan vara kandidater för uppgraderingen, fördelarna med effekt och CO2-utsläpp kan vara dramatiska.

Hur det fungerar

Det spelar ingen roll om de använder gas, kol, kärnreaktorer eller solenergi: Alla värmekraftverk använder ångturbiner för att omvandla värme till elektricitet. I grund och botten är dessa turbiner stora rotorer fulla av blad som vilar i gigantiska kullager i ett enormt metallhölje. De använder vatten som blir extremt varmt av vilken värmekälla anläggningen än använder. Vattnet förvandlas sedan till högtrycksånga, som trycker på rotorn. Den rotorn flyttar i sin tur axeln som driver den faktiska elektriska generatorn.

Detta nya system byter ut vattnet i en turbin mot en form av CO2. (Tekniskt sett körs processen på vad som kallas en sCO2 Brayton-cykel.) Cykeln i sig är inte ny: Cykeln, som först patenterades av den amerikanske maskiningenjören och uppfinnaren George Brayton 1872, används i moderna gasturbiner och luftandande jetmotorer . Vad som är nytt är dock hur teamet på Sandia implementerade användningen av vad som kallas 'superkritisk' CO2.



'Idén att använda CO2 som arbetsvätska i en Brayton-cykel är ganska gammal, tror jag på 1960-talet', säger Rapp till mig. Men det var inte möjligt då eftersom tekniken inte var där än.

En sCO2 Brayton-cykel använder superkritisk koldioxid för att snurra en turbin, en förening som står under så högt tryck och värme att den beter sig både som vätska och gas. Eftersom cykeln är sluten kommer den superkritiska CO2 aldrig ut i atmosfären, utan hålls istället i en oändlig slinga där den kyls och värms upp.

Detta är samma princip som driver traditionella ångturbiner (kända som Rankine-cykler), men till skillnad från dem har sCO2 Brayton-cykeln en mycket högre värme-till-elektricitetskonverteringseffektivitet, vilket innebär att den kan avge mer ström från samma mängd källmaterial: 'Traditionella ång-Rankine-cykler kan uppnå en termisk verkningsgrad på cirka 33 %', säger Rapp. 'SCO2 Brayton-cykeln har potential att uppnå 50 % termisk effektivitet.'



I sitt test värmde teamet vid Sandia National Labs superkritisk CO2 till 315 grader Celsius (599 grader Fahrenheit) med hjälp av en värmeväxlare. sCO2 sprutas in i turbinen och driver en axel som snurrar en lindad koppartråd som samverkar med generatorns magneter för att producera elektricitet. När den lämnar turbinen kyls sCO2 i en värmeåtervinningsenhet. Därifrån går den till en kompressor som höjer sitt tryck igen innan den går in i en anordning som kallas en rekuperator, som återuppvärmer sCO2 med den överskottsvärmeenergi som samlades in i föregående steg.

När den är uppvärmd går sCO2 in i huvudvärmaren igen för att starta cykeln igen. Allt detta styrs av elektroniska kretsar som modererar flödet intelligent så att allt går oavbrutet.

Enligt Fleming producerades i detta test 10 kilowatt och injicerades framgångsrikt i Sandia-Kirkland-nätet i 50 minuter utan avbrott med hjälp av kommersiellt tillgänglig elektronik - vilket är ett anmärkningsvärt steg framåt.

Ett nytt hopp

I och med att proof of concept fungerar har experimentprogrammet börjat samarbeta med den större kraftsektorn.

'Det finns många företag som arbetar med den här tekniken och det finns några spännande utvecklingar inom koncentrerad solenergi och spillvärmeåtervinning som ser ut att vara den första kommersiella tillämpningen av sCO2 Brayton-cykeln,' berättar Rapp och Fleming för mig.

Nu vill de samla in mer operativ data om hur man bäst styr systemet – och även bevisa att den teoretiska effektiviteten är experimentellt uppnåbar. 'Detta kommer att öka förtroendet för tekniken och förhoppningsvis hjälpa till att påskynda införandet av den,' säger de.

Om allt fungerar som förväntat är det slutliga målet att eftermontera dagens kraftverk med dessa mer effektiva turbiner. Men naturligtvis måste teamet bevisa systemets genomförbarhet, skala det till högre effektnivåer som krävs för storskalig verksamhet och sälja det till en sektor som kan vara riskvillig.

'Det är demonstrationer under uppbyggnad just nu, och intresset från den bredare industrin växer definitivt', säger Rapp. 'Jag hoppas att dessa första system kommer att fungera under de kommande tre till fem åren.'